柔性阵列电容式触觉传感器设计与实验

2018年 第12期仪表技术与传感器Instrument Technique and Sensor 2018 No.12

基金项目:国家重点研发计划项目(2016YFE0128700)

收稿日期:2017-08-28柔性阵列电容式触觉传感器设计与实验

刘今越,刘秀丽,肖 杰,贾晓辉,郭士杰

(河北工业大学机械工程学院,天津 300130)

摘要:针对现有柔性触觉传感器柔性差二结构和加工工艺复杂等问题,设计了一种可用于智能机器人和健康监测领域中的柔性阵列电容式触觉传感器三传感器由上电极层二下电极层和中间介电层构成,每个电极层上有多个平行带状电极,且上下层电极互相垂直,电极垂直交叉点形成阵列传感器单元三介绍了柔性阵列电容式触觉传感的理论基础和结构设计,并根据阵列结构建立了信号采集和处理系统三实验证明,该柔性阵列电容式触觉传感器和信号采集系统有很好的稳定性和准确性,可获得其表面的压力分布情况,并可在上位机中图形化呈现三

关键词:触觉传感器;柔性;阵列电容;导电橡胶

中图分类号:TP212 文献标识码:A 文章编号:1002-1841(2018)12-0019-06

Design and Experiment of Flexible Array Capacitive Tactile Sensor

LIU Jin-yue,LIU Xiu-li,XIAO Jie,JIA Xiao-hui,GUO Shi-jie (College of Mechanical Engineering ,Hebei University of Technology ,Tianjin 300130,China )

Abstract :In view of the problems of poor flexibility,complex structure and processing technology existing in flexible tactile sensor,a flexible array capacitive tactile sensor used in intelligent robots,medical and health monitoring was designed.The sensor was composed of top-electrode layer,bottom-electrode layer and intermediate dielectric layer.Each electrode layer had a plurality of parallel strip electrodes,and the top layer and bottom layer electrodes were perpendicular to each other,which crossing point formed the array sensor cell.This paper introduced the theoretical basis and structure design of the flexible tactile sensor,and es-tablished the signal acquisition and processing system according to the array structure.The experiment results show that the flexi-ble array capacitive tactile sensor and signal acquisition system have good stability and accuracy.And it can obtain the surface

pressure distribution,and also the results can be displayed on the host compute graphically.Keywords :tactile sensor;flexibility;array capacitor;conductive rubber 0 引言

作为仿生机器人辨识物体特点二感知物体表面特

征等环境信息的重要手段,近年来,触觉传感器在医

疗设备[1]二智能机器人[2-3]二健康监测[4]等领域的应用

已成为各国科研工作者的研究热点三根据原理的不

同,当前,柔性触觉传感器主要可分为电容式二电阻式

和压电式3类,其中电容式因其高灵敏度二温漂小,利

于微小压力检测,便于携带等优点而广泛应用于众多

新兴柔性电子器件,如电子皮肤[5-6]二人体体征监测二智能机器人等三美国的H.K.LEE [7-8]等人以蒸馏工艺

在聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料表面形成铜电极的方

式设计制作电容式柔性触觉传感器,具有柔性好二灵

敏度高的特点,但其加工工艺复杂,成本高且量程小三

合肥工业大学的黄英[9-12]等人利用力敏导电橡胶的

压阻特性设计了一种柔性触觉传感器,并通过实验验证其触觉感知能力及信号采集及处理的稳定性和精准性三天津大学的孙一心[13-14]等利用FPCB 加工工艺制作了基于分布式电容的触觉传感器,但均结构复杂三本文提出了一种可用于人工皮肤的柔性阵列式电容柔性触觉传感器,该传感器上下电极和介电层均采用柔性材料[15-16],结构简单,易加工,柔性好,可以随意弯曲折叠三本文介绍了该柔性阵列电容式触觉传感器的工作原理和结构设计,以及触觉信息的采集与处理系统三并加工了2个不同参数的阵列传感器,通过实验验证了该阵列式电容触觉传感器具有良好的稳定性和灵敏度三1 结构设计与分析图1为柔性阵列电容式触觉传感器的单元原理图,图1(a)为传感器单元的初始状态(即未受外力作用时),图1(b)为传感器单元受到外界压力作用,发